To access the full text documents, please follow this link: http://hdl.handle.net/2099.1/22243

Uso de membranas selectivas para la recuperación de nitrógeno amoniacal durante el proceso de digestión anaerobia
Martinez Campesino, Lorena
Flotats Ripoll, Xavier
Biodegradable organic waste shows and increasing production in the world. A key example is food waste, originated from public establishments or some industries, such as meat industry, which have a high nutritional and energy content. The characteristics of most of these residues represent a resource for methane production through the anaerobic digestion process. However, this process in most cases, depending on the component of the residue, could be highly unstable due to the accumulation of specific substances obtained during the reactions. The main problem is the large accumulation of ammonia nitrogen, that is obtained as a result of the degradation of compounds with high levels of nitrogen, such as meat waste contains a high proportion of proteins. High concentration of this component, or mainly it's non ionized form, free ammonia, can produce serious problems in the reactor, causing a reduction of the growing rate of the methanogenic microorganisms, which results in an accumulation of fatty acids and a drastic falling of pH in the reactor. For this reason, is highly important to develop an effectively and economical method for ammonium extraction, which increases the yield of the anaerobic digestion of food waste, by means of reducing the quantity of this component when its levels could become a problem. With this aim, the purpose of this research was study the feasibility of an innovative method of ammonia extraction with hydrophobic and gas permeable membranes. The running mechanism of this method are based on a concentration difference between an ammonia and a sulfuric acid solution, where the free ammonia fraction is practically zero due to the low pH conditions. Two types of expanded teflon membrane provided by Gore-Tex company have been study. The first membrane used, called membrane 1, had a plastic-like appearance, while the second used membrane, membrane 2, showed a paper appearance. For the determinations, it was used a synthetic subtract constituted by ammonium chloride and potassium bicarbonate. The experiments were performed using an equipment composed by two glass recipients, both connected with a membrane, at room temperature and with a pH level around of 8, to ensure a good fraction of ammonium. Three different initial concentrations of 4, 5 and 6 g NH4-N/L have been used for the laboratory assays. A total of 9 trials per membrane of 6 hours each one was planned. However, in one of the experiments with membrane 2, one of the two glass recipients was broken, so only 7 of the experiments were executed. In the evolution of the transference in those experiments it was observed a time-dependent gradual increase of ammonium nitrogen concentration in the acid solution. Ammonia transference coefficient was determined using the experimental results, obtaining the values of 5.16·10-3 m/s and 9.23·10-3 m/s for membrane 1 and 2, respectively. There were not exist significant differences between calculated transference coefficients as function of the different initial concentrations for each membrane, except for one assay with membrane 2 at 6 g NH4 -N /L, as a consequence of the failed equipment. It can be concluded that the ammonium nitrogen extraction by selective membranes is a viable option that need more study. Working future lines must study the effect of the temperature, the effect of the continuous operation instead of the study in batches and the application of real substrates of the industry, for assessing the effect of the presence of particles and/or microorganisms.
Molts residus biodegradables es produeixen en grans magnituds al món. Un exemple clau son els rebuigs alimentaris procedents de diferents establiments públics i algunes indústries, per exemple, la indústria càrnia, els residus de la qual presenten un alt contingut nutricional i energètic. Les característiques de la majoria d'aquests residus representen un recurs per la producció de metà en processos de digestió anaeròbia. No obstant, aquest procés en diferents ocasions, depenent dels components del residu, és molt inestable a causa de diverses substàncies que s'acumulen com a conseqüència de les reaccions que es produeixen. La principal problemàtica és la gran acumulació de nitrogen amoniacal que s'obté com a conseqüència de la degradació de compostos que contenen un alt contingut de nitrogen, molt freqüents en aquest tipus de residus. Al acumular-se altes concentracions d'aquest component o en la seva forma no ionitzada, amoníac, es produeixen greus problemes al reactor, provocant una disminució de la velocitat de creixement de les bactèries productores de metà, que té com a conseqüència una acumulació d'àcids grassos i una caiguda dràstica del pH del reactor. D'aquesta manera, és important desenvolupar un mètode efectiu i barat d'extracció d'amoni, que incrementi el rendiment de la digestió anaeròbia en residus alimentaris, a través de la disminució de la quantitat d'aquest component. Amb aquest objectiu, la finalitat d'aquesta investigació va ser estudiar la viabilitat d'un mètode innovador d'extracció d'amoníac a través de membranes hidrofòbiques però permeables als gasos. El mecanisme de funcionament d'aquest mètode consisteix en una diferencia de concentracions entre la solució amoniacal i una solució àcida, ja que en aquesta última la fracció d'amoníac lliure tendeix a ser pràcticament zero a causa de les condicions de pH baix. Es van estudiar dos tipus de membranes fabricades amb Teflón expandit, membrana 1 i membrana 2, que van ser proporcionades per l'empresa Gore-Tex. Per a les determinacions es va utilitzar un substrat sintètic constituït per clorur d'amoni i bicarbonat potàssic. Els experiments van ser realitzats amb un aparell compost per dos recipients de cristall connectats amb la membrana, a temperatura ambient i mantenint un pH al voltant de 8 per garantir una fracció de nitrogen amoniacal en forma d'amoníac. Es van utilitzar 3 concentracions inicials diferents per als assajos de laboratori de 4, 5 i 6 g N-NH4/L. Es van planificar un total de 9 experiments per membrana, de 6 hores cadascun. No obstant, en un dels experiments amb la membrana 2 es va trencar un dels recipients del contactor de membrana i únicament es van poder realitzar 7 assajos del plantejats inicialment. En l'evolució de la transferència per a tots els assajos es va observar un increment gradual de la concentració de nitrogen amoniacal en la solució àcida en funció del temps. Es va efectuar el càlcul del coeficient de transferència de la membrana per cadascun dels assajos realitzats, obtenint valors de 5,16·10-3 m/s y 9,23·10-3 m/s per les membranes 1 i 2 respectivament. No van existir diferències significatives entre els coeficients de transferència calculats en funció de les diferents concentracions inicials per a cada membrana individualment, amb l'excepció de l'assaig realitzat a 6 g N-NH4/L amb la membrana 2, com a conseqüència del mal funcionament de l'aparell per trencament. En canvi, sí van existir diferències significatives entre els coeficients obtinguts. Es pot concloure, per tant, que l'extracció d'amoníac a través de membranes selectives és una opció viable que mereix major estudi. Línies de treball futures haurien d'estudiar l'efecte de la temperatura, l'efecte de la operació en continu en lloc de per lots i l'aplicació a substrats reals de la indústria, per valorar l'efecte de la presencia de partícules i/o microorganismes.
Muchos residuos biodegradables se producen en grandes magnitudes en el mundo. Un ejemplo clave son los desechos alimentarios procedentes de diferentes establecimientos públicos y algunas industrias, por ejemplo la industria cárnica, los residuos de la cual presentan un alto contenido nutricional y energético. Las características de la mayoría de estos residuos representan un recurso para la producción de metano en procesos de digestión anaerobia. No obstante, dicho proceso en diferentes ocasiones, dependiendo de los componentes del residuo, es muy inestable debido a diversas substancias que se acumulan a causa de las reacciones que se producen. La principal problemática es la gran acumulación de nitrógeno amoniacal que se obtiene como consecuencia de la degradación de compuestos que contienen nitrógeno, muy frecuentes en este tipo de residuos. Al acumularse altas concentraciones de este componente o en su defecto en su forma no ionizada, amoniaco, se producen problemas serios en el reactor, provocando una disminución de la velocidad de crecimiento de las bacterias productoras de metano, que tiene como consecuencia una acumulación de ácidos grasos y una caída drástica del pH en el reactor. Por ello, es importante el desarrollo de un método efectivo y barato de extracción de amonio, que incremente el rendimiento de la digestión anaerobia en residuos alimentarios, a través de la disminución de la cantidad de este componente. Con este objetivo, la finalidad de esta investigación fue estudiar la viabilidad de un método innovador de extracción de amoniaco a través de membranas hidrofóbicas, pero permeables a los gases. El mecanismo de funcionamiento de este método se basa en una diferencia de concentraciones entre la solución amoniacal y una solución ácida, ya que en esta última la fracción de amoniaco libre tiende a ser prácticamente cero por las condiciones de pH bajo. Se estudiaron dos tipos de membranas fabricadas con Teflón expandido, membrana 1 i membrana 2, que fueron proporcionadas por la empresa Gore-Tex. Para las determinaciones se utilizó un substrato sintético constituido por cloruro amónico y bicarbonato potásico. Los experimentos fueron realizados con un aparato compuesto por dos recipientes de cristal conectados con la membrana, a temperatura ambiente y manteniendo un pH de alrededor de 8 para garantizar una fracción de nitrógeno amoniacal en forma de amoniaco. Se utilizaron 3 concentraciones iniciales diferentes para los ensayos de laboratorio de 4, 5 y 6 g N-NH4/L. Se planificaron un total de 9 ensayos por membrana, de 6 h cada uno. No obstante, en uno de los experimentos con la Membrana 2 se rompió uno de los recipientes del contactor de membrana y solo se pudieron realizar 7 ensayos de los planteados inicialmente. En la evolución de la transferencia para todos los ensayos se observó un incremento paulatino de la concentración de nitrógeno amoniacal en la solución ácida en función del tiempo. Se efectuó el cálculo del coeficiente de transferencia de la membrana para cada uno de los ensayos realizados, obteniendo valores de 5,16·10-3 m/s y 9,23·10-3 m/s para las membranas 1 y 2, respectivamente. No existieron diferencias significativas entre los coeficientes de transferencia calculados en función de las diferentes concentraciones iniciales para cada membrana individualmente, a excepción del ensayo realizado a 6 g N-NH4/L con la membrana 2, como consecuencia del mal funcionamiento del aparato por rotura. En cambio, sí existieron diferencias significativas entre los coeficientes obtenidos. Se puede concluir, por lo tanto, que la extracción de amoniaco a través de membranas selectivas es una opción viable que merece de mayor estudio. Líneas de trabajo futuro deberían estudiar el efecto de la temperatura, el efecto de la operación en continuo en lugar de por lotes y la aplicación a substratos reales de la industria, para valorar el efecto de la presencia de partículas y/o microorganismos.
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria agroalimentària::Indústries agroalimentàries::Indústria de la carn
Ammonia--Analysis
Membranes
Amoni
Digestió anaeròbia
Inhibició
Digestió anaeròbia (Residus)
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Spain
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Universitat Politècnica de Catalunya
         

Show full item record

 

Coordination

 

Supporters